智慧水厂平台建设方案.docx
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智慧水厂平台
建设方案
目录
一、 项目背景 4
二、 项目概述 5
三、 整体要求 7
3.1.系统形式要求 7
3.2.系统的部署要求 9
3.3.系统设计原则要求 10
四、 系统总体技术要求 12
4.1.系统要求 12
4.2.架构层级要求 15
4.3.架构内容要求 16
4.4.网络架构要求 18
4.5.界面内容及操作要求 19
五、 系统具体功能说明 21
5.1.智慧运营管理门户 21
5.2.数据展示、分析、处理要求 22
5.3.HACCP管理 23
5.4.设备全生命周期管理 25
5.5.数字挛生平台 28
5.6.决策分析管理 31
5.7.化验管理 32
5.8.水质在线检测管理 33
5.9.安全管理 33
5.10.事件管理 35
5.11.厂区附属设备的展示 35
5.12.智慧巡检 36
5.13.移动端应用 37
5.14.人员管理 41
5.15.系统管理 42
5.16.系统对接 43
六、专家系统 44
6.1.能源管理与设备预诊断 44
6.1.1.设备监控及运行状态判断 45
6.1.2.告警与故障诊断（机电设备） 46
6.1.3.报告记录及复盘 46
6.1.4.负荷预测 47
6.1.5.告警管理（能源方面） 47
6.1.6.支撑泵组搭配的试验对比和方案选择与实施 48
6.2.智能配电系统 48
6.2.1.设备监控及运行状态判断 49
6.2.2.告警与故障诊断 49
6.2.3.配电设备网络故障诊断 50
6.2.4.电力咨询顾问功能 50
6.3.智能加药 50
6.3.1.数据呈现和展示 51
6.3.2.自动控制加药 51
6.3.3.异常加药 52
6.3.4.其他要求 53
6.4.智能视频监控系统 53
6.4.1.智能视频巡检 53
6.4.2.厂区内安防状态监控 53
6.4.3.人员和车辆智能管控、门禁系统 54
一、项目背景
深水龙华水务有限公司红木山水厂现状包含处理规模为30万m3/d的常规处理设施和30万m3/d的深度处理设施及相应的污泥处理设施。
水厂各PLC控制站通过光纤以星型以太网方式连接至设于综合加药间的中心控制室。
目前的信息化系统包括SCADA、PMIS、基于手机APP应用的移动巡检系统等。
当前水厂工作存在诸多不足，具体如下：
（1）信息孤岛亟待打破
已有的各类信息化系统均基于对单个环节的生产、管理辅助，信息资源无法充分共享。
水厂运营决策的依据通常基于简单的数据统计报表，各系统的信息资源并未有效整合，未实现信息的智慧化综合分析利用，无法在决策、运营、管理、生产等多方面提供信息及数据支撑。
（2）缺乏统一的信息化能耗管理及降耗支撑工具
没有面对全厂的统一能耗管理工具，除送水泵房进行了泵组和工况的人工控制外，没有各个用能环节的能耗监控、呈现、对比、降耗计算及建议工具；送水泵房缺乏泵组和状态测试、评估、对比、执行的信息化工具；缺乏三个水厂统一的能耗监控及对比工具。
（3）智慧化水平不高
对比同类水厂，智能化水平偏低。
主要体现在加药环节、设备诊断环节、能耗监控优化环节、视频监控等。
（4）距无人少人值守的目标相对较远
水厂目前采用人工值班运行方式，设备巡检维修、工艺调整处理等工作依靠人工完成，基础自控设备、软件功能有限，很难达到无人少人值守。
二、项目概述
红木山智慧水厂平台的建设，采用通用平台+专家系统的模式，以“安全、高效、优质、节约”为核心，以角色为中心、统一使用门户，提升水厂运行管理的信息化水平、智能化水平，达到全流程自动化控制、运维数字化管理、资产全生命周期管理、一体化安全管控等目的，在智能加药、设备预检测、能耗管控上体现智能功能，从功能示范上达到少人无人值守的目标。
其主要特点如下：
（1）基本达到无人少人值守目标
实现无人少人值守，当设备发现问题、出现故障或突发事件，通过多种方式告警，并分级处理。
增加运行的冗余度，在遇到突发事件可及时切换设备而不影响整个制水过程。
（2）具备专家系统功能
专家系统建设包括能耗管理、设备预诊断、智能加药、智能视频监控、BIM轻量化应用等模块，专家系统要求分阶段开发，当前项目只开发基础功能，要求基础功能容易扩展，其他期建设在基础功能上进行更新迭代。
其中能耗管理、设备预诊断、智能加药最终要求达到如下，能源管理系统能够实时监测设备的状态，通过数据分析提供最优运行方案，降低生产运行成本；设备预诊断通过传感器、模型分析，预判设备潜在问题，提前有计划维保，减少人工定期维保频次，提高设备运行安全性；智能加药对进水流量和进水水质等参数信息分析,采用数学模型计算，对加药过程进行自动控制，减小水质波动，同时在原水水质突变时自动应对，提高生产安全保障水平；BIM轻量化应虚拟和现实相结合，达到漫游式体验。
（3）以角色为中心使用统一门户，做到系统和人的融合
使用统一门户，以角色工作内容为纲，实现一键全操作，提高易用性。
（4）以三维可视化为系统监测、控制的承载工具
基于BIM模型开发轻量化应用，工程实体场景在系统中呈现，实现水厂三维场景实时动态展示及三维交互式体验，虚拟场景与真实场景相互对应，达到“沉浸式体验”。
（5）系统可平行部署，未来可覆盖其他水厂
该项目适用于三个水厂建设，此次只建设红木山水厂。
红木山建设完成后，可在其他水厂平行部署。
平行部署后，调度中心可展示三个水厂数据，且可实现下行控制。
每个水厂分别设一个中控室部署本平台，对本水厂做全面监测与控制。
三、整体要求
3.1.系统形式要求
（1）使用终端分类及要求
在使用上，平台设计分为大屏端、PC端、手机端。
大屏端主要用于水厂中控室、公司调度中心的监控及下行控制需要，对应于24小时值班人员。
大屏端功能最全、显示效果最完善，显示并且控制所有智慧水厂平台相关功能，对水厂整个运行状态做全面的展示和控制，是智慧水厂最直观、最全面的效果呈现。
大屏端应具备在公司总的调度平台显示功能。
PC端用于水厂不同层级、不同岗位的领导或工作人员。
PC端根据岗位需求，设计不同的显示和操作界面。
对于公司高层管理人员，PC端应能全面掌握水厂运行状态，直观显示各类关键数据和图表；对于水厂管理人员，PC端在公司高层管理人员界面基础上，增加对应管理及操作功能。
手机端是最常用的工具，必须具有易用性，且与岗位角色对应。
手机端应采用统一门户，并构建不同功能模块，不同的岗位对应不同功能模块，模块之间相对独立，模块的开发调整不应影响其他模块的正常运转。
不同功能模块应该风格统一、操作模式统一。
手机端应能够在内外网运行，但是外网使用时，杜绝直接操作设备。
大屏端、PC端、手机端应采用统一的登录账号及登录模式。
功能模块的使用，不需要再次进行身份验证。
（2）整体设计图及角色功能
整体的设计图如下所示：
管理人员主要通过平台掌握水厂的工作状态。
关注的内容包括关键数据的分析、设备健康度、员工绩效考核等，同时利用专家系统为下一步的决策提供充分的依据。
工作人员主要通过平台进行水厂常规事务的操作。
包括统计数据报表，设备管理（派发设备维修工单、反馈设备维修记录等），化验管理等。
可借助平台的分析功能，对能耗药耗统计、设备利用率和设备故障率等关键指标深入挖掘，找到提高设备运行效率的方法，优化生产运行工艺。
值班人员主要通过平台对水厂现状进行实时监控，包括生产数据的实时浏览，并根据数据发现异常，可监测平台自动向上级推送及处理过程，必要时可人工介入处理。
巡检人员主要通过手持端进行智慧巡检，巡检分自动巡检和人工巡检。
自动巡检通过视频与自控数据的结合进行（与设备仪表采集数据关联，显示设备仪表的实时数据，发现安全隐患可以发起隐患上报，并记录整个巡检的过程）。
人工巡检为自动巡检的补充，利用手机扫描车间配置好的二维码或者触碰NFC卡，录入相关巡检信息，巡检过程可及时上报处理事件。
平台的数据将以传感器传输为主，人工录入为辅，最大程度降低人工操作。
目前红木山水厂的自控系统（含一期和二期）相对完善，自控数据应全部进到平台数据库，为数据分析等提供全面的数据支撑。
专家系统则需要按照需求部署相应的传感器，支撑智能分析。
3.2.系统的部署要求
深水龙华水务有限公司拥有三家水厂，分别红木山水厂、龙华茜坑水厂和观澜茜坑水厂。
此项目以红木山水厂作为试点，系统部署到本部服务器，通过办公网络进行连接，历史数据可从PMIS、智慧巡检系统等数据库进行迁移。
到2022年，接入龙华茜坑水厂数据和观澜茜坑水厂数据，实现统一部署，分厂使用。
后续在观澜、龙华茜坑水厂部署时，只需要做不同的自控、设备环境落地适应性调整即可。
系统部署如下图所示:
3.3.系统设计原则要求
系统方案设计须遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、安全可靠、节约成本、便于扩展的原则。
综合考虑开发、施工、维护及操作因素，并为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。
系统设计内容必须是系统的、总体的、完整的、全面的；设计方案具有科学性、合理性、可操作性。
（1）可扩展性原则
系统采用微服务模块化开发，采用统一的使用门户，降低各功能模块耦合度，使得在此基础上新增、改造功能或系统维护不会影响其他功能模块正常运转。
系统应具备标准、统一的接口，第三方开发扩展系统时做到无需关注系统其他功能，实现功能和性能的灵活扩展。
（2）安全性原则
必须建立可靠的安全体系，防止非法入侵和攻击用户的恶意入侵。
软件平台及部署方式满足信息化等级保护三级要求。
（3）可靠性原则
系统采用可靠、稳定的硬件产品，采用冗余技术，采取了有效的备份措施，系统运行中遇到突发问题和异常情况时数据能及时恢复。
系统的所有操作数据（正常数据、异常数据）、图片、视频可恢复，方便查看当前系统运行状况，记录可追溯或可通过分析日志排查问题。
（4）规范化原则
系统的开发符合国际标准、国家标准及行业标准，要求保证可与相关系统连接，提供标准接口。
根据开发进度及时提供有关开发文档，包括软件需求说明书、数据要求说明书、系统设计说明书、数据库设计说明书、测试计划、用户手册、测试分析报告、系统维护手册、操作手册、系统安装手册等。
（5）实用性原则
系统采用统一的门户，提供友好的用户操作界面，操作简洁、直观，方便非计算机专业人员使用，菜单功能要求清晰，直达岗位角色需要的功能，避免复杂的菜单选择。
不同使用端应采用统一登录验证，登录进去后，使用不同功能模块不需要再次身份验证。
系统界面应采用统一风格、统一操作方式。
要求系统运作流畅，无卡顿现象。
四、系统总体技术要求
4.1.系统要求
（1）实现少人/无人值守
智慧水厂平台以达到无人少人值守为目标建设，项目分阶段开发,首先实现基础功能建设，其后在基础功能基础上实现更多功能，达到少人/无人值守。
系统应能为少人/无人值守提供灵活工具，包含：
自动工艺或设备切换、报警及工单处理、智能化处理建议等。
系统逻辑应能完善解释少人/无人值守的工作场景和过程。
系统可分类自动处理生产过程中的大部分问题，确保不需要人的干预就能正常运转。
同时，系统将发生的问题发送给相关工作人员，并进行自动切换等处理，保证生产过程自动正常运转。
需要人员现场操作的内容，例如维修、保养等，可分级定期在上班时间集中完成，系统应能给出维修保养工作的优先级建议。
总之，不可避免的人员现场工作，与水厂24小时自动、连续、
可靠运转之间，没有急迫或者紧密的关系。
人员可以集中力量提升水厂工艺安全、维保能力、智能化能力方面，逐步减少人员现场工作频次与时长，提高人员工作本身价值。
（2）三维可视化监测和控制
采用三维可视化为承载工具，监测控制、数据呈现均以三维为主体进行。
首先对红木山水厂已有的BIM进行轻量化、格式转换处理，形成简化模型，用于管理目的。
然后对厂内设备设施信息、设备运行数据、视频信息、安防门禁信息等信息进行集中采集，同时对水厂周边数据（如原水、管网数据、水文数据）进行按需收集。
通过信息收集的全面性、信息处理的快速性，可以通过三维全面地把握水厂全局的信息状况。
（3）智能功能
利用智能专家决策系统，利用数学模型等进行判断，为设备故障诊断、生产调配、方案择优、运营管理等提供科学化的辅助决策支持功能。
智能功能主要包含智能加药、设备预诊断、能耗管理、视频管理等，其功能可在充分利用现有传感器基础上，新增部分传感器作为计算来源。
（4）设备全生命周期管理
系统实现水厂设备的全生命周期管理。
全生命周期管理包含设备采购、验收、安装、使用、维修保养、报废全过程，还包括设备维修参考视频、备件信息等。
对于未包含在水厂阶段的全生命周期阶段，例如采购、验收，系统应读取其他业务系统数据，在本系统进行统一呈现。
全生命周期涉及到的工作内容，应在移动端和PC端方便录入和呈现，涉及到的信息，应能在多个工作场景方便呈现。
例如，现场设备设置二维码，移动端扫描查询，呈现设备采购、维修信息、备件信息、维修参考视频等。
设备信息应能在报表内用多种维度呈现。
（5）模块化开发、统一门户及使用便利性要求
项目采用模块化开发和部署。
功能模块在开发、部署、调整时不影响其他功能正常使用。
模块化开发采用通用标准，可实现不同厂商分别开发，不存在厂商之间复杂的交互开发量。
使用统一门户框架登录使用，不同角色使用不同的功能模块，不同功能模块不需要再次验证身份。
移动端的使用必须具有直观性、直达性、便利性。
通过移动终端实现远程或移动监管，运行管理人员不必在厂，使用移动终端即可全面掌握水厂运行情况，必要时可进行设备控制，提高人员工作效率,减少运营人力、管理成本。
4.2.架构层级要求
智慧水厂的建设总体架构应包含感知层、数据层、平台支撑层和
智慧应用层。
如下图所示：
1.感知层
感知层是提供各种信息数据来源的主要入口，数据感知包含自来水厂内各种在线仪表、设备、传感器、摄像头、RFID、设备二维码标牌等数据。
2.数据层
数据层主要包括监控实时数据库、监控历史数据库、专家系统数据库、多媒体数据库、三维模型数据库等。
其结构应在系统需要的基础上合理构建。
数据层中的不同部分应具有相对独立性，个别数据库的调整和部署，不应影响整体数据层的运转。
监控实时/历史数据库存储现场自动化系统采集的设备运行状态、告警、故障等各类数据；设备运维管理数据库存储设备台账、检修、抢险、工单等运维信息；分析数据库存储分析后的专题数据；存储专家数据库的分析数据，通过数据挖掘、大数据分析，为上层业务应用提供数据支撑，为水厂运行管理、领导决策提供科学依据；存储多媒体数据，满足视频监控、视频巡检的需要。
数据层必须具有开放性、灵活性。
不同厂商在新建、调整数据内容时，不应有额外的交织开发工作量，也不应对其他数据内容的使用造成影响。
3.平台支撑层
智慧水厂的核心，通过数据分析技术、数据挖掘技术、BIM技术等，为水厂智慧化运行提供综合的应用支撑和管理能力。
4.智慧应用层
打造支持水厂生产、管理、维护的智慧应用。
4.3.架构内容要求
智慧水厂运营平台架构以及与其他系统的连接关系，如下图所示:
在平台内部建设上，应充分考虑与公司已有信息系统的数据结合,做好数据中台的建立工作。
其中通用平台数据库历史数据可由PMIS、智慧巡检数据库等导入，自控数据可直接读取自控系统或在线仪表数据；专家系统数据库则是由传感器传输的数据为主，配合通用平台数据库的关键数据作为参数指标；多媒体数据库读取摄像头传输的图像信号。
数据库之间互联互通，能够在平台上统一访问和调用。
在平台外部层级上，与公司的调度运营平台是数据互通的，能够实现上层平台对水厂运营平台关键数据的抓取。
同时为保证两个平台的统一性，智慧水厂运营平台在开发上要充分考虑已建调度运营平台的功能模块。
调度运营平台利用红木山水厂BIM作为三维可视化的载体，智慧水厂运营平台可以加以利用，减少不必要的开发。
调度运营平台关注某些关键指标（如保障力等），应在智慧水厂运营平台有所体现。
平台与某些子系统的协作关系上，例如平台中的设备管理模块，设备信息（台账、地址、类别等）数据首先录入到NC资产管理系统,再通过接口接数据同步到红木山运营平台，同步的信息可以在运营平台的设备管理模块（台账、地址、类别）中查看，设备已经完成的维保信息将通过接口回发到NC资产管理系统。
4.4.网络架构要求
智慧水厂建成后，红木山水厂网络划分为工控、办公、视频三个独立的网络：
①工控网络流转工控业务数据，可实现下行控制；
②办公网络流转办公类业务数据及互联网数据；
③视频网络流转生产监控数据及安防监控数据。
三个网络间部署网闸进行物理隔离，对已备案的网络间数据交换予以放行。
工控网络边界采用工业网络防火墙防护。
如下图所示：
需对红木山工控网络进行无线扩展，做到厂区工控网络WIFI全
覆盖。
如下图所示（图中AP根据实际情况部署）：
4.5.界面内容及操作要求
平台功能可根据终端、角色划分，终端可分为中控室、电脑端、手机端，中控室主要为值班人员，电脑端和移动端主要为管理人员、工程师、化验人员、巡检人员、维保人员，职责如下：
1） 值班人员主要为对水厂运行状况进行监控，对预警进行及时响应，可下行控制；
2） 管理人员主要为查看水厂运行状况，可实时查看水厂数据，可授予人员权限以及流程审批；
3） 化验人员主要是收到任务后化验数据并填入系统，也可查看水质信息；
4） 巡检人员主要负责设备巡检，发现设备故障或存在问题时可发起工单；
5） 维保人员主要定期或接收到工单后去现场进行维修保养。
权限分配参考下表（权限可配置可修改）：
中控室、
电脑端
电脑端、手机端
手机端
'值班人
员
管理人
员
工程师
化验人
员
巡检人员
维保人
员
智慧运营门
户
√
√
√
数据管理
√
√
√
√
HACCP
√
√
√
√
设备管理
√
√
√
√
√
数字挛生平
台
√
√
√
决策分析管
理
√
√
√
化验管理
√
√
√
水质检测
√
√
√
安全管理
√
√
√
√
√
事件管理
√
√
√
√
√
厂区设施管
理
√
√
√
√
智慧巡检
√
√
√
√
移动应用
√
√
√
√
√
人员管理
√
√
系统管理
√
安防系统
√
√
√
专家系统
√
√
√
界面设计各个模块包括通用平台及专家系统应保持风格统一，界面颜色、布局搭配合理，操作尽可能简洁、容易操作合理，形成良好的人机交互页面。
五、系统具体功能说明
平台数据（下述各个功能模块）必须是打通，考虑各个模块之前的联系，模块之见可联动。
各个模块的重要数据能够综合展示在同一个界面上。
利用水厂内各类综合信息，结合三维模型、视频监控画面，进行各类实时数据、分析数据、KPI指标的综合可视化呈现，能够反应水厂的整体运营、人员管理、综合能耗等情况。
可实现决策辅助及水厂内人员、事件、设备的管理。
5.1.智慧运营管理门户
智慧门户首页应按角色为各级生产运营管理层人员提供统一的各功能模块管理入口（公司MIS为统一入口），在门户首页上应能对全厂绩效及各项指标数据进行图形化显示，为管理层对全厂运营绩效评估、辅助决策提供科学有效的数据依据。
首页内容必须根据实际情况进行界面调整。
智慧门户首页应在显著位置设置生产运行重要事件提醒图标，显示当前水厂运行的事件统计总览，包括所关注和全部的KPI指标变化情况、实时运行告警情况。
智慧门户需要包括以下主题：
1.生产看板
展示进出水量、当班人员照片、实时水质数据及曲线图表、待处理的任务、流程等。
2.设备看板
展示设备健康指数、关健指标（完好率、故障率、维修及时率）、工单及成本情况、设备占比、工单占比、设备报警数量等相关曲线图表。
3.能耗看板
展示能耗关健指标（总电量、总用药量、各电耗、药耗等），及用电及用药比例图表、药剂量等信息。
4.安全看板
展示摄像头数量及分布、故障图表、车流、人流统计、安全隐患上报等信息。
5.KPI指标分析
根据水厂运营管理要求制定水厂KPI指标体系及标准，根据水厂实际运行情况自动对水厂进行KPI评分。
可从横向对比不同水厂之间的KPI评分情况，进行水厂运行排名，也可以从时间角度纵向进行同、环比分析，判断水厂运行趋势。
5.2.数据展示、分析、处理要求
数据展示与分析具有配置功能，可在使用中自行配置数据内容及时段、呈现方式，呈现方式应具有模板可选。
对于无法自动采集的数据可人工录入修改，记录日志，可根据选择的条件查询结果。
根据既定好的报警规则，在数据超出某个范围后能够用不同颜色标出并提醒（如各工艺段水质水压、药剂量等）。
可与昨日数据、上月数据进行对比。
可对数据变化趋势、相关性及同比环比分析，分析出的结果可以图形、报表等方式展示。
可根据不同的需求提取报表数据，报表包括日报表、周报表、月报表、年报表，选择提取的字段可灵活配置也可直接选用固定的字段或格式。
实现两方面预处理功能，一是数据清洗预处理功能，对数据实时诊断、进行多种预处理操作，如去噪、去跳、平滑、滤波、补缺等处理操作，修正失真的数据，以提高数据准确性，规避因数据错误、丢失造成其他业务问题，二是报警预处理功能，对报警信息判断后再报给对应人员，规避报警错误、不准确问题，提高报警准确率，同时也提高人员处理效率。
5.3.HACCP管理
以三维为载体，将CCP点应与工艺流程图结合，实现一张图展示,包括CCP点数据展示、对比、预警、CCP点对应显著危害。
以标准化管理为基础，展示体系组织框架、文件管理、内审、管理评审、符合性评价等工作。
1.HACCP体系组织框架
展示HACCP体系组织框架、人员清单、机构职责，并可编辑修改，编辑修改后发送至上级领导审批。
2.HACCP体系标准化管理
可进行文件编辑、上传、下载，文件修改后需保留修改痕迹，并可发至HACCP小组相关人员审核修改内容。
同时，具备体系内审、管理评审、符合性评价流程审批、不符合项输入、关闭、结果追踪等功能。
3.生产系统HACCP供水全流程管理
（1）采用3D模型，描述原水系统、制水系统，并可上传现场CCP点画面。
需采用文档、图片形式，对涉水材料进行描述。
（2）统计异常事件，以突变方式表示，并可查看水质异常曲线；在模板基础上，可形成HACCP月度、季度、年度报告。
（3）CCP点智能监控
①CCP点数据展示、查询及任务提醒
工艺流程图与关键控制点结合，对CCP点数据及水质数据实时采集与分析，结合工艺流程图实时数据，选择CCP点可展示一段时间内数据的变化曲线及该CCP点的显著危害（显著危害、严重性、纠偏措施等）；对于无法实时监测的数据可人工录入系统并可展示。
可对CCP点的指标监控数据、处置信息、控制效果
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